PRESENT STATUS OF THE FAST LOCAL BUMP SYSTEM FOR HELICITY SWITCHING AT THE PHOTON FACTORY

Kentaro Harada#,A), Takashi Obina A), Shinya Nagahashi A), Ryota Takai A) A) KEK-PF, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki, 305-0801

Abstract The fast local bump system for the helicity switching of the circular/linear polarized undulators (CPU) has been

developed at the long straight section of 8.9 m length between B15 and B16 (BL16) of the Photon Factory storage ring (PF-ring). It consists of five identical bump magnets, power supplies and two APPLE II type variably polarizing undulators with two DC steering magnets and four AC steering magnets. With feed-forward correction, the unwanted beam oscillations round the ring are suppressed to about 2~3 μm for both horizontal and vertical directions during the fast local bump. These beam disturbances are at most the same as those from the top-up injection at some beam lines and the facility let the BL16 users use the fast bump during the time of the user experiment. During the user time, the users can freely start and stop the fast local bump twice the day; 8:30am and 20:30pm. In this presentation, the present status of the fast bump system is shown.

PF リング 16 番直線部の偏光高速スイッチングシステムの現状

1. はじめに PF リング 16 番直線部には、2 台の APPLEII 型可

変偏光アンジュレータ及び高速偏光スイッチングシステムが設置されている（図 1）[1-4]。システムは、別々の偏光に設定された 2 台の挿入光源内の電子軌道に交互にバンプを立てることで、2 台の挿入光源からの光を交互に遮り、ビームラインに届く光の偏光を高速でスイッチングする[5]。物質の微弱な偏光依存性をロックイン技術を用いて測定することがその目的である。ここでは、現在、設計目標である10Hz でのユーザーラン中のスイッチング運転を始めた高速バンプシステムの概要と、運用の現状について述べる。

2. 高速バンプシステムの概要 高速バンプシステムの電磁石配置を図 2 に示す。

挿入光源内の電子軌道に水平高速バンプを作る為の5 台のバンプ電磁石(K1～K5)及びそれぞれに対する電源は、5 組とも全く同一のものである。直線部中央のバンプ電磁石 K3 の両脇には、2 台の挿入光源からの光の光軸の、相対的な角度と位置を調整できる様に 2 台の DC ステアリング電磁石(HV)が設置されている。また、誤差や挿入光源の影響によるバンプ内外の垂直方向の振動抑制、バンプ外側へ漏れた水平方向の振動の精密な補正の為、直線部両側のダブレット 4 極電磁石の両脇に、合計 4 台の速いステアリング電磁石(FHV)が設置されている。

バンプ電磁石の電流波形及び水平軌道バンプ形状を図 3 に示す。高速バンプの設計周波数は 10Hz、片方の挿入光源からの光を遮る為に必要な角度バンプは 0.3mrad、電磁石配置より、必要な蹴角は 大2.4mrad、バンプの高さは 大約 1mm となる。電磁石のギャップはリングの実効的な 小アパーチャから 21mm、コア長は 15cm、珪素鋼板の積層構造で

ある。電源は±100A、±50V のドロッパ式 AC 電源で、バンプを作る為に必要な 大電流はおよそ 60A、電圧約 10V である。

制御系の概略を図 4 に示す。任意波形発生器は位相及び振幅を調整しても波形がリセットされない為、バンプを立てながらのパラメータの微調整が可能で

図 1：16 番直線部の 2 台の APPLE II 型挿入光

源及び偏光高速スイッチングシステム

図 2：16 番直線部の電磁石構成。K1~K5 が水平高

速バンプ電磁石、HV は光軸調整用の遅い水平垂

直ステアリング電磁石、VD は遅い垂直ステアリ

ング電磁石、FHV はフィードフォワード補正用の

速い水平垂直ステアリング電磁石、FPM は速い軌

道測定用の BPM。SkewQ は挿入光源の歪 4 極成

分を補正する為の DC 歪 4 極電磁石。

VDVD HV HV

VD VD

K1 K2 K4 K5

FHV FHV FHV FHVFPM FPM FPM

B15 U#161 U#162 B16

K3

U#17U#17

SkewQSkewQ

___________________________________________ # kentaro.harada@kek.jp

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ある。高速スイッチングの開始、停止時には、２台の減衰器を用い、バンプ電磁石及びフィードフォワード電磁石の両方の振幅を同時に徐々に大きくまたは小さくしてゆく。これは電磁石の初期化に相当する操作であり、これにより、停止開始での履歴の影響を抑えることができる。

3. 光軸調整と誤差の補正 スイッチング中のビーム位置測定は、速い BPM

（Instrumentation Technologies 社製 Libera Brilliance、図 2、図 5 の FPM）を用いて行う。PF リングには通常の遅い COD 測定に組み入れられていない BPMがいくつか存在し、それを速い信号処理回路に接続することで、常時高速軌道測定が可能になる。また、

いくつかの BPM からのケーブルには、途中に切替器が挿入されており、遅い測定から外して速い検波回路に接続することが可能になっている。図 5 に速い BPM の一覧を示す。スイッチング運転時の確認、バンプ外側の振動補正や光軸調整に使用する速いBPM は、バンプ内側の 3 カ所（FPM(K2)、FPM(K3)、FPM(K4)）と外側の 6 カ所（FPM032（切替器経由）、022、283、282、143、162）の合計 9 カ所である。他の BPM は通常、遅い軌道補正に組み込まれており、マシンスタディ時のみ、調整結果の確認の為に高速測定に切り替えて利用されている。

スイッチング ON の時、挿入光源内の電子軌道に10Hz で水平バンプを作るが、誤差や挿入光源の磁場の影響により、リング全体に水平垂直とも余計なビーム振動を引き起こしてしまうことが避けられない。リング全体のビーム変動はビームサイズの 1/10以下に抑える必要があり、それはおよそ水平 30μm、垂直 3μm 以下である。バンプ電磁石の蹴り角θ は、DC 成分を KDC、AC 振幅を KAC、角振動数をω、初

(sin) (cos)

To power supplies

K1 K2 K3 K4 K5Reference

signal

to user

beamline

Trigger for

fast BPM

Start

trigger

Clock for

synchronization

To feed forward corrector power supplies

(horizontal + vertical) x 4 magnets

6 Arbitrary

function

generators

Digital signal

processor

Voltage-controlled

attenator ATT ATT ATT ATT ATT

AT

T

AT

T

AT

T

AT

T

AT

T

AT

T

AT

T

AT

T Voltage-controlled

attenator

図 4：制御系の概念図。6 台の任意波形発生器

（Tektronix 社製 AFG3102 及び 3020B）、2 台

の減衰器、1 台のデジタル信号処理器（mtt 社

製 DSP7100）からなる。6 台の任意波形発生器

はトリガー信号及びクロック信号で全て同期、

同調されている。

(a)

(b)

(c)

K1

K2

K3

K4

K5

(a) (b) (c)Start Stop

VD

22 V

D2

3

PM

32

PM

33 P

M34

PM

35

ID161 ID162

HV

1

HV

2

K1 K2 K3 K4K5

FP

MU

FP

MM

FP

MD

PH

V1

PH

V2

PH

V3

PH

V4

図 3：バンプ形状及び電流波形。図は説明の為、あえて光軸がずれた状態のバンプを表している。２台

の挿入光源内に、DC 的に半分の高さのバンプを立て（図の青線）、そこに位相が逆の AC 分を重ねる

ことで、交互にバンプを立てることができる。バンプが降りた状態の光軸調整は DC 的に行うことがで

きる。

図 5：速い BPM の配置図。赤字は常時速い測

定が可能、黒字は切替器でケーブルを切り替え

た上で、手動で速い検波回路に接続すれば測定

可能となる。

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期位相をϕ0とし、さらに AC 振幅の誤差をΔK、位相の誤差をΔϕとすると

( ) ( )ϕϕωθ Δ++Δ++= 0sin tKKK ACDC と書け、展開して誤差の１次まで取れば、

( ) ( )00 cossin ϕωϕϕωθ +Δ++Δ=Δ tKtK ACAC となる。振幅の誤差はバンプと同位相のビーム振動

を引き起こし、位相の誤差はバンプと 90°ずれた

位相のビーム振動を引き起こす。従って、ビーム振

動の測定と補正には位相情報が必須であり、図 4 に

示した様に、任意波形発生器から速い BPM へバン

プと同期したトリガー信号を送っている。BPM で

は 1 秒間に数回の更新頻度で、64 周毎に 1 回の測

定を 6400 回分（10Hz の約 2.5 周期分）連続で行う

（例えば図 7）。BPM で測定したビーム位置変動の

波形は、バンプに同期した成分と 90°ずれた成分

とに分解して振幅が求められる。補正は通常の

COD 補正と同様に逆行列を用いた計算で、バンプ

電磁石 K1 は固定とし、K2、K4、K5 の振幅と位相

について必要補正量を求める。リング外側の水平振

動補正では、バンプ外側の速い BPM を 6 個用い、

垂直振動では、バンプ内外の 9 個全てを用いる。制

御系の分解能は電流振幅 0.001A、位相 0.01°であ

り、水平方向約 2μm のビーム振動に対応する。そ

れ以下の水平振動抑制、垂直方向の振動補正には、

フィードフォワード補正が必要である。 フィードフォワードの為の電磁石制御は、任意波

形発生器からバンプと同期した正弦波と、90°位相

をずらした余弦波を DSP に入力し、それに任意係

数をかけて重ね合わせ、電源に出力するという方法

で行われる。例えば、垂直振動は大部分が挿入光源

の影響であるので、バンプ同期した成分に対する係

数が大きくなる。バンプ内側を含めてリング全周に

対して垂直方向の振動抑制を行う場合は、補正電磁

石 4 台全てに対してバンプ同期成分の係数を設定す

る必要があるが、バンプ外側だけでよい場合は、2台使うのみで十分である。 リング外側でのビーム振動の補正結果を図 6 に示

す。挿入光源のギャップを開いた状態では、バンプ

電磁石の調整のみで、水平約 2μm まで振動が抑制

できている。その時の誤差による垂直振動は約 4μmである。挿入光源のギャップを閉じると、水平 4μm、

垂直約 40μm まで振動が増加する。垂直振動は挿入

光源の歪４極磁場によるもので、振動はほとんどバ

ンプと同位相成分のみである。フィードフォワード

補正により、水平方向の振動は約 3μm 以下に、垂

直方向は 1μm 以下に抑制され、その状態でテスト

運転、ユーザー運転を行っている。なお、振動の様

子は挿入光源の偏光パラメータφ/2 及びエネルギー

パラメータρ/2 にほとんど依存しない。また、長期

シャットダウン後の運転開始時に調整を行えば、

数ヶ月にわたる連続運転期間はパラメータの調整は

不要である。挿入光源の影響、長期変動とも、振動

振幅の変化は 1～2μm 程度（測定誤差と同等内）に

0

1

2

3

4

5

6

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150

no FF, no ID, xfor user, xno FF, no ID, yfor user, y

no FF with ID, xno FF with ID, y

振幅

(for

use

r, n

oFF, noID

) [μ

m]

振幅

(noF

F w

ith ID) [μ

m]

軌道長 [m]

図 6：スイッチング中のリング全体の 10Hz 振

動の振幅。水平を x、垂直を y とし、ユーザー

ラン中（for user 縦軸左）、そこからフィード

フォワード補正を切った場合（no FF with ID 縦軸右）、さらに挿入光源のギャップを開けた場

合（no FF, no ID 縦軸左）を示す。

図 7：バンプ内側の速い BPM でのビーム位置測定の様子。Vertical 軌道に見えている振動は 50Hz 成分

である。（常時測定、調整に用いているバンプ外側の 6 個の BPM でも、測定データの形式は同じであ

る。）

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収まる。 BL16 に対する光軸調整の手順は、まず、スイッ

チングなしの状態で、直線部中央の 2 台の DC ステ

アリング（図 2 の HV）を使って 2 台の挿入光源の

光軸を相対的に一致させた後、バンプ電磁石及び遅

い垂直ステアリング（K1、K2、K4、K5、VD）を

使って、直線部全体に対して DC バンプを作って光

軸調整を行う。 後に、スイッチングを開始し、バ

ンプ内の 3 個の速い BPM を用いて、バンプが降り

た瞬間のビーム位置が DC 的に決めた光軸に合う様

に、DC バンプをさらに調整する。スイッチング中

の速い BPM の測定例を図 7 に示す。HV、VD はス

イッチングの有無に依らず同じ値であるが、バンプ

電磁石の DC 成分については、バンプ有無で異なっ

た値になる。 現在、ユーザーランの途中ではバンプ内部の常時

軌道補正を行っていない。バンプ内部の日較差や長

期ドリフトによる軌道変動の常時補正は今後の課題

である。

4. スイッチングの停止，開始操作 BL16 以外の軌道補正、光軸確認は、BL16 におい

て AC 的に運用する電磁石（水平バンプキッカー電

磁石 5 台及びフィードフォワード補正用ステアリン

グ電磁石 4 台）を切った状態を基準に行っている。

その状態を基準とし、スイッチングなし（DC モー

ド）の場合、バンプ電磁石は 16 番の光軸をあわせ

る為に必要な局所 DC バンプを作る様に DC 的に励

磁され、フィードフォワード電磁石は電流ゼロであ

る。一方、スイッチングあり（AC モード）の場合、

バンプ電磁石は DC オフセットありの 10Hz 正弦波

励磁、フィードフォワード補正電磁石も ON となる。

例えば、スイッチングを開始する場合は、減衰器を

徐々に入れることで、16 番内の局所 DC バンプを立

ち下げ、パラメータを AC 用に設定後、再び減衰器

を抜いてゆく。逆の場合、すなわち、AC モードか

ら DC モードへのスイッチング停止時も同じである。

すなわち、スイッチングの停止開始時には、減衰器

入り、パラメータ再設定、減衰器切り、という操作

を行うが、その所要時間は数分間である。 現在のところ、スイッチングの停止と開始時、一

時的に水平方向に 20μm 程度の軌道変動が生じてい

る（図 8）。この変動の大きさは、かつて、挿入光

源のモード変化などの際に許容されていた値とほぼ

同様のレベルであり、現状、毎朝晩の 2 回、挿入光

源のモード変更と PF-AR への入射の時刻にあわせ

て、スイッチングの停止開始操作が許容されている。

この一時的な軌道変動の抑制は、今後の課題である。

5. ユーザーランへ 2011 年 12 月 8 日のマシンスタディにおいて、全

ビームラインに協力して頂き、10Hz スイッチング

時の他ビームラインへの影響の測定が行われた。そ

の結果、いくつかのビームラインで top-up 入射時の

ビーム変動と同程度（ 大 2 倍程度）の光の変動が

観測されたが、実験に大きな支障が出るビームライ

ンは幸いにも存在せず、ユーザーラン中のスイッチ

表１：スイッチングありでのユーザー運転履歴 2011. 12/08 振動測定スタディ

2012. 01/19 9:00 - 01/23 9:00 テスト運転

02.22 21:00 - 02/23 9:00

03/09 09:00 - 03/12 8:30

04/12 09:00 - 04/18 21:00

05/10 09:00 - 05/14 08:30

05/16 08:30 - 05/17 09:00

05/28 08:30 - 05/28 20:30

05/30 21:00 - 05/31 09:00

06/26 08:30 - 06/27 20:30

06/28 08:30 - 06/28 20:30

Horizontal COD

Vertical COD

0.5mm

0.5mm

図 8：スイッチング開始、停止操作時の一時的な軌道変動。マシンスタディ時に、垂直方向の速い軌道

フィードバック補正を切って測定したもの。ユーザーラン中は、垂直方向の変動は、速い軌道補正で

十分に補正可能であり、ほとんど生じない。（ここでは、BPM032 は速い測定用に切替済。）

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ング運転が許可された。その後、スイッチングシス

テムの長期連続運転試験を兼ねて 2012 年 1 月 19 日

から 23 日まで試運転が行われ、現在まで、断続的

にスイッチングありでのユーザー運転が行われてい

る。スイッチングありでのユーザー運転の履歴を表

１に示す。 ユーザーランの間、挿入光源の偏光パラメータ

φ/2 及びエネルギーパラメータρ/2 は自由にビームラ

インから変更することができる。また、スイッチン

グの停止開始も、朝晩の 8 時半に限られているもの

の、ユーザーが自由に依頼することができる。（操

作は光源運転員が制御室で行っている。）

5. 今後の課題 2007 年に製造開始、2008 年にリングに設置、そ

の後、調整を重ねてきた高速偏光スイッチングシス

テムは、2012 年よりユーザーラン時の運用を開始

した。16 番のバンプ内側に対する常時軌道補正、

及びスイッチングの停止開始時の一時的な軌道変動

の抑制が今後の課題である。2012 年秋からの運転

においても、マシンスタディを続けていく予定であ

る。

参考文献 [1] S.Matsuba et al., “Fast Local Bump System for Helicity

Switching at the Photon Factory”, Proc. of PAC09, (2009), pp.2429-2431

[2] K.Harada et al., “Tuning of the Fast Local Bump System for Helicity Switching at the Photon Factory”, Proc. of IPAC2010, (2010), pp.3150-3152

[3] K.Tsuchiya et al., “Operation of a fast polarization-switching source at the Photon Factory”, Proc. Of SRI2012, to be published

[4] K.Amemiya et al., ” Fast polarization switching in the soft X-ray region at PF BL-16A”, Proc. Of SRI2012, to be published

[5] G. Schutz et al., “Absorption of circularly polarized x rays in iron”, Phys. Rev. Lett. 58, (1987) 737

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